某自錨式懸索橋溫度場監(jiān)控分析

唐飚

長沙市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 湖南 長沙 410000

前言

懸索橋的幾何形狀受溫度影響較大，因此施工過程及成橋中需重點(diǎn)考慮溫度場的影響，往往將溫度場作為一個(gè)敏感因素考慮到施工過程及成橋狀態(tài)中，進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的修正。索塔在整個(gè)主纜架設(shè)及加勁梁吊裝階段均要受到外界日照、雨水等引起的溫差作用，從而產(chǎn)生溫差變形，因而對(duì)塔的軸線線形、塔頂高程均是有影響的，需要進(jìn)行及時(shí)的修正[1,2]，使整個(gè)成橋過程最大限度地與設(shè)計(jì)內(nèi)力、線性相近。塔頂偏位隨著日照角度的變化而變化，本文依托某懸索橋施工項(xiàng)目主要進(jìn)行索塔溫度變化的溫度場規(guī)律性研究，方便進(jìn)行主纜施工線性的計(jì)算[3,4]。

1 工程概況及溫度偏位監(jiān)測

1.1 工程概況

某獨(dú)塔雙索面自錨式混凝土懸索橋橋梁主跨為70m，邊跨為25m，主纜中心距32m，吊索沿順橋向間距4m。索塔采用歐式塔形，塔結(jié)構(gòu)總高34米，橋面以上塔結(jié)構(gòu)高24.5米。橋梁橫斷面寬43米，上部加勁梁采用雙邊肋縱梁與吊桿間橫梁相交的框架體系，縱梁高度采用2.3米，橫梁高度采用2米。下部結(jié)構(gòu)主塔基礎(chǔ)采用φ150cm的群樁，主跨橋臺(tái)采用鉆孔灌注樁，小邊跨橋臺(tái)采用半整體式重力橋臺(tái)。

1.2 裸塔狀態(tài)下的溫度監(jiān)測

本自錨式懸索橋沿主跨到邊跨處于東西方向，上午日照下，東側(cè)塔溫度高于西側(cè)，引起東側(cè)混凝土膨脹，西側(cè)混凝土收縮，從而產(chǎn)生溫度作用偏位。主要進(jìn)行索塔溫度變化的規(guī)律性研究。

（1）監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置。縱向從主跨到邊跨方向，0#臺(tái)及1#臺(tái)處各設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)觀察點(diǎn)S1、S2，在塔頂上設(shè)置一個(gè)觀測點(diǎn)S3。

（2）觀測儀器、觀測量。采用全站儀進(jìn)行觀測，將全站儀架設(shè)在基準(zhǔn)觀測點(diǎn)S1、S2上，多次測量S13、S23距離，S13、S23距離變化量則為塔受溫度變化引起的變形值。

1.3 ansys模型的建立

根據(jù)自錨式懸索橋的組成結(jié)構(gòu)選擇ansys中模擬的單元，自錨式懸索橋主要由加勁梁、吊索、纜索、主塔等組成，對(duì)應(yīng)可以選擇梁單元、殼單元、桿單元、實(shí)體單元進(jìn)行模擬，其中，主塔及加勁梁采用BEAM4單元、主纜、吊桿、支撐結(jié)構(gòu)采用LINK10單元。其分析簡圖如下圖2所示。

2 溫場下的分析模型建立

索塔截面溫度場是多維方向決定的，求解較為復(fù)雜。同時(shí)溫度受環(huán)境影響，而且混凝土材料傳遞溫度具有滯后性，外表溫度升溫較快，內(nèi)部則較慢，傳溫的滯后性也決定了混凝土內(nèi)部溫度降幅較小。本文采用有限元程序進(jìn)行溫度場模擬計(jì)算，具體步驟包括以下內(nèi)容：

①建立主塔截面模型、劃分主塔單元；②進(jìn)行模型初始狀態(tài)的設(shè)置。將計(jì)算時(shí)測得的混凝土測點(diǎn)溫度作為溫度荷載施加到節(jié)點(diǎn)上，穩(wěn)態(tài)求解，從而確定溫度變化下的初始狀態(tài)模型；③對(duì)模型施加邊界條件。獲得現(xiàn)場溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系，將其變化關(guān)系下的溫度變化荷載施加到混凝土表面；④設(shè)定求解荷載步，實(shí)行有限元分析中的瞬態(tài)溫度場分析；⑤進(jìn)行結(jié)果的后處理，提取不同荷載步下的結(jié)果。

3 溫度場的實(shí)例分析

分析中采用實(shí)測溫度值進(jìn)行有限元分析中等效溫度荷載的設(shè)定，得出主塔截面中心區(qū)域內(nèi)溫度變化規(guī)律、沿主塔高度方向的溫度梯度分布。

3.1 主塔溫度場計(jì)算

取自錨式懸索橋某截面進(jìn)行截面溫度的24h測試，考慮到主塔截面為長方形，故而設(shè)置5個(gè)測點(diǎn)，即長方形中心點(diǎn)測點(diǎn)1、其余四邊中點(diǎn)為測點(diǎn)2、3、4、5。溫度測點(diǎn)布置圖見下圖3所示。測點(diǎn)1為中心測點(diǎn)，測點(diǎn)布置為建筑前已經(jīng)布置好溫度應(yīng)變傳感器，其余4個(gè)測點(diǎn)為表面測點(diǎn)，直接粘貼溫度傳感器。測試中，將傳感器通過導(dǎo)線引入到地面進(jìn)行讀數(shù)，但長導(dǎo)線務(wù)必對(duì)測試數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的影響，為了消除長導(dǎo)線帶來的溫差影響，這里在現(xiàn)場測試中進(jìn)行簡單的試驗(yàn)，通過試驗(yàn)獲得溫差變化與長導(dǎo)線間的關(guān)系，從而在后期數(shù)據(jù)處理中消除長導(dǎo)線的影響。

獲得以上截面測點(diǎn)溫度后，可以采用有限元分析程序進(jìn)行不同時(shí)刻主塔截面不同位置溫度場的分布計(jì)算，求解中以文獻(xiàn)[5]中的混凝土材料熱工系數(shù)為基礎(chǔ)材料數(shù)據(jù)，以回歸實(shí)測表面溫度的時(shí)間-溫度函數(shù)關(guān)系作為溫度荷載，施加到有限元模型中。

3.2 主塔中心截面溫度分析

采用有限元分析軟件進(jìn)行截面中心溫度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果數(shù)據(jù)如下圖1所示。

圖1 主塔截面中心溫度實(shí)測值與設(shè)計(jì)值結(jié)果

由上圖1可知，采用有限元分析獲得的主塔截面中心溫度與實(shí)測中心溫度偏差較小，最大相對(duì)誤差僅為0.142，基本滿足了施工測試要求?？梢?，本文采用的有限元分析程序較為合理。

實(shí)測中心溫度與有限元分析溫度中，最大溫度出現(xiàn)在晚上8點(diǎn)左右，0～6點(diǎn)左右逐漸降低，6～20點(diǎn)逐漸增大。而一天中最高大氣氣溫出現(xiàn)在14點(diǎn)左右，因而混凝土材料在吸收熱量后傳遞較慢，具有傳遞溫度的滯后性。

3.3 主塔截面最不利溫度梯度分析

實(shí)際工程中往往需要獲得控制截面的溫度梯度的分布情況，前面已經(jīng)驗(yàn)證了有限元分析程序的可行性，故可以采用有限元進(jìn)行截面最不利溫度梯度分析。大氣溫差一般在14點(diǎn)時(shí)最高，此時(shí)的溫度分布最不利，因此可以采用該時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行截面溫度梯度的計(jì)算。這里選取截面中心點(diǎn)為基準(zhǔn)溫度，截面各點(diǎn)與中心溫度溫差計(jì)算結(jié)果見下表2所示。

圖2 主塔截面測點(diǎn)1-2及1-4溫差有限元計(jì)算結(jié)果圖

圖3不同截面測點(diǎn)3不同時(shí)間段溫度實(shí)測數(shù)據(jù)（℃）

3.4 主塔塔高方向最不利溫度梯度分析

這里選取各個(gè)截面測點(diǎn)2在不同時(shí)間段的溫度測試結(jié)果如下圖3所示。

由測試可知，測點(diǎn)2、測點(diǎn)3、測點(diǎn)4均在9點(diǎn)左右時(shí)，沿塔高方向不同截面的溫差最大，測點(diǎn)5在14點(diǎn)時(shí)沿塔高方向不同截面溫差最大。中心測點(diǎn)在8～12點(diǎn)沿塔高方向不同截面溫差最大。

4 結(jié)束語

本文主要結(jié)論如下：

（1）采用有限元分析獲得的主塔截面中心溫度與實(shí)測中心溫度偏差較小，最大相對(duì)誤差僅為0.142，基本滿足了施工測試要求。實(shí)測中心溫度與有限元分析溫度中，最大溫度出現(xiàn)在晚上8點(diǎn)左右，0～6點(diǎn)左右逐漸降低，6～20點(diǎn)逐漸增大。而一天中最高大氣氣溫出現(xiàn)在14點(diǎn)左右，因而混凝土材料在吸收熱量后傳遞較慢，具有傳遞溫度的滯后性。

（2）計(jì)算獲得了不同測試截面不同時(shí)間下的溫度場24h內(nèi)的溫度變化數(shù)據(jù)，并采用數(shù)據(jù)非線性擬合得到了主塔截面中心溫度經(jīng)驗(yàn)公式、沿主塔高度方向最不利溫度梯度的經(jīng)驗(yàn)公式。

（3）邊測點(diǎn)與中心測點(diǎn)溫度差值越大，裸塔塔頂?shù)钠恢翟酱?。由夜間測點(diǎn)溫差較為穩(wěn)定，在夜間進(jìn)行索塔放樣來確定跨徑較好。在實(shí)際監(jiān)控中應(yīng)對(duì)截面溫度進(jìn)行實(shí)測，采用以上分析方法綜合確定塔頂?shù)钠恢荡笮　?/p>